CN106796293B - 线性模式计算感测ladar - Google Patents

Abstract

在包括反射镜阵列的数字微反射镜设备处接收被脉动以光照至少一个对象并且从至少一个对象反射的激光，每一个反射镜可以选择性地控制成取向为将入射光反射到检测器上或不反射到检测器上。检测器输出代表所感测到的光的量的信号。通过将M个空间图案应用于反射镜并且在跟随来自激光器的脉冲之后的K个时间中的每一个处存储从检测器输出采样的信号值，所收集到的信息可以用于重构K个图像，每一个图像使用所有M个空间图案和对应于K个时间中相应一个所存储的经采样的信号值，其中每一个空间图案与来自激光器的一个脉冲同步。K个图像中的每一个对应于到数字微反射镜设备的不同距离，使得系统可以被采用作为测距仪。

Description

线性模式计算感测LADAR

技术领域

本公开一般涉及激光雷达传感器，并且更特别地，涉及改进线性模式激光雷达传感器。

背景技术

成像激光雷达（LADAR）焦平面传感器具有基于每一个像素下方所要求的大量电路而具有对像素大小和格式（像素的总数目）的限制。这对于线性模式阵列和Geiger模式阵列二者都是真实的。此外，线性模式LADAR焦平面阵列受限于首个脉冲或最后脉冲逻辑，而同时要求许多脉冲以发展用于Geiger模式（GM）阵列的检测统计。

因此在本领域中存在对于具有全时间带宽的非常高空间分辨率、大格式成像LADAR的需要，该成像LADAR优选地包括针对被遮挡目标和/或电波穿透树叶的能力（FOPEN）应用的全脉冲返回采样。该LADAR能力由本公开通过使用单像素相机范式来使得能够实现。

发明内容

激光从激光器被脉动以光照至少一个对象，并且从至少一个对象反射的激光在包括反射镜的阵列的数字微反射镜设备处被接收，每一个反射镜可以被选择性地控制以取向在第一方向和第二方向中的一个上。检测器输出代表入射在检测器上的光的量的信号，所述检测器定位成使得数字微反射镜设备内取向在第一方向上的反射镜将入射光反射到检测器上，并且数字微反射镜设备内取向在第二方向上的反射镜不将入射光反射到检测器上。通过将M个空间图案应用于数字微反射镜设备的反射镜、并且针对M个空间图案中的每一个在跟随来自激光器的脉冲之后的K个时间中的每一个处存储从检测器输出采样的信号值，所收集到的信息可以用于重构至少一个对象的K个图像，每一个图像使用所有M个空间图案和对应于K个时间中相应一个所存储的经采样的信号值，其中M个空间图案中的每一个与来自激光器的一个脉冲同步。K个图像中的每一个对应于到数字微反射镜设备的不同目标距离，使得系统可以被采用作为测距仪。

尽管以上已经枚举了具体优点，但是各种实施例可以包括所枚举的优点中的一些、没有一个或全部。此外，在查阅随附附图和描述之后，其它技术优点可以变得对本领域普通技术人员而言是容易清楚的。

附图说明

为了本公开及其优点的更加完整的理解，现在参照结合附图取得的以下描述，其中相同的参考标记表示相同的部分：

图1A图示了经由压缩采样的单像素成像相机系统；

图1B图示了依照本公开实施例的经由压缩采样的单像素成像在实现线性模式计算感测LADAR系统中的使用；

图2图示了依照本公开实施例的在实现线性模式计算感测LADAR系统中的单像素成像输出采样；以及

图3是针对依照本公开实施例的操作线性模式计算感测LADAR系统的过程的高级流程图。

具体实施方式

在开始应当理解的是，尽管示例性实施例图示在附图中并且在以下进行描述，但是本公开的原理可以使用任何数目的技术来实现，无论当前是否是已知的。本公开应当绝不限于在附图中图示和在以下描述的示例性实现和技术。此外，除非另行具体指出，否则附图中描绘的制品不一定按照比例绘制。

当用于测距应用时，读出集成电路（ROIC）设计中的成像LADAR焦平面阵列（FPA）技术在每一个像素之下要求距离接收器，这要求大像素大小并且限制用于Gieger模式和线性模式LADAR FPA二者的阵列大小。当前Geiger模式LADAR FPA在每一个像素之下要求距离时钟并且受限于50微米（μm）像素大小和32×128像素格式（并且还是单光子敏感的且非线性的）。现有线性模式阵列以100微米像素大小、128×128和40微米像素大小，256×256格式出现，并且还受限于首个脉冲/最后脉冲逻辑，使得要求显著发展以给出针对FOPEN类型应用所要求的N脉冲逻辑返回。

对于使用大格式DMD作为空间调制器和GM检测器的一个计算感测论证实验，图像重构受限于64×64像素，并且GM传感器要求非常高的重复率——100兆赫兹（MHz）——激光器，该激光器具有1.5米（m）模糊距离。

在本公开中，使用单像素（或几个像素）相机范式来使得能够实现线性模式全时间带宽高清晰度（HD）格式LADAR。通过使用大格式数字微反射镜设备（DMD），具有720p图像格式的6.5微米的空间分辨率（像素间距）是可得到的。DMD可以以高达40KHz的帧率切换。对于单像素操作，在低噪声雪崩光电二极管（APD）上收集从DMD反射的整个（经空间滤波的）图像光，与激光脉冲同步地对所述图像光进行时间采样。因此，每一个时间样本对应于来自对象空间中的特定距离的光。针对一些数目的不同空间图案重复该操作允许人们重构作为距离的函数的对象空间。经验证明，像素总数目的10%和20%之间的采样（压缩比）足以重构整个场景。因此，例如，720p的10%是13.8K个空间图案。使用具有以1.5千米（km）的模糊度的20KHz激光器作为光照器造成4.6秒图像形成速率（受数据收集限制）。然而，使用小格式阵列允许人们通过划分图像平面而并行收集DMD光——也就是说，将DMD中的反射镜的子集分组成全部以相同方式操作，使得检测器阵列有效地具有比DMD反射镜的数目更少的元件。使用9×12检测器阵列给出96的速度增加因子，其允许人们以全运动视频速率操作全时间带宽HD LADAR。

图1A和1B是相比较地图示依照本公开实施例的线性模式计算感测LADAR系统的结构和操作的图。图1A图示了经由压缩采样的单像素成像相机系统。单像素成像系统100试图经由数字微反射镜设备（DMD）102捕获场景的二维图像101。DMD 102具有被“翻转”或使得在一个方向或另一个上取向的反射镜阵列，使得撞击在相应反射镜上的光朝向单个元件（光）检测器103或远离该检测器103反射。DMD 102可以包括例如1024×768个个体的反射镜的阵列，其中的每一个可以选择性地至少取向在朝向入射光的源取向（“接通”）的第一方向（例如从垂直于阵列+12°）和远离入射光的源取向（“关断”）的第二不同方向（例如从垂直于阵列-12°）上。优选地，DMD 102内的内部控制器控制阵列中的所有反射镜的取向——也就是说，“空间图案”，其为哪些反射镜取向在第一方向上并且哪些取向在第二不同方向上的特定配置。取向在第一方向上的反射镜将入射光反射到检测器103上，而取向在第二方向上的反射镜则不然。DMD 102优选地包括控制空间图案的内部控制器，和在给定时间存储空间图案的内部存储器。合适DMD 102的结构和操作例如在德州仪器应用报告DLP0008（2008年7月）“DMD 101: Introduction to Digital Micromirror Device (DMD) Technology”中有描述。

空间图案优选地是随机的，使得从场景101反射的光的图案也是随机的。也就是说，来自DMD 102阵列内的反射镜的某个随机选择子集的入射光朝向单个元件检测器103反射，经过例如将所有反射光聚焦到检测器103的单个元件上的双凸或聚光器透镜系统104，而来自DMD 102内的其余反射镜的入射光被反射远离检测器103。检测器103的输出（振幅或幅度）然后由模数（A/D）设备105采样，所述输出对应于由DMD 102朝向检测器而不是远离检测器而反射的来自场景101的光的量，数模（A/D）设备105在特定时间处存储和/或报告这样的输出。然后向DMD 102应用不同的空间图案并且取得A/D设备105的输出的另一样本，并且该过程针对M个随机DMD空间图案中的每一个重复M次，从而获取对应于M个DMD空间图案的由A/D设备105从来自单个元件检测器103的输出取得的M个振幅的序列，该序列集体代表被拍照的场景的二维图像101。

来自检测器103的输出的M个振幅然后由信号处理器106处理并且存储在存储器107中，并且由重构单元108采用来在输出109处基于M个随机DMD空间图案而生成场景的图像101。信号处理器106、存储器107和重构单元108集体形成处理系统，其包括依照已知技术的一个或多个处理器（包括信号处理器106）和一个或多个存储器（包括存储器107）。用于单像素成像系统100的控制系统由该处理系统与用于DMD 102、检测器103和A/D设备105的控制器（无论是内部的还是外部的）组合形成，DMD 102、检测器103和A/D设备105与彼此结合地协同操作。此外，使用单个元件检测器103的M个输出振幅和应用于DMD 102的对应M个随机空间图案来生成场景101的图像的过程在本领域中是已知的。

图1B图示了依照本公开实施例的经由压缩采样的类似单像素成像在实现线性模式计算感测LADAR（CS-LADAR）系统110中的使用。这样的系统可能例如在测距中作为瞄准和/或导向系统的部分被采用，所述瞄准和/或导向系统用于推进器或导弹的空中投放或用于开发距离图像以用于导航目的。本领域技术人员将认识到，未在附图中描绘或在本文中描述用于CS-LADAR系统100的所有组件的完整结构和操作。而是，为了简化和清楚，仅描绘和描述如对本公开而言独特的或对于本公开的理解而言必要的那么多的组件及其相应操作。用于CS-LADAR系统110的处理系统（集体由一个或多个处理器（包括信号处理器116）、一个或多个存储器（包括存储器117）和重构单元118形成），可以类似于用于单像素成像系统100的处理系统，但是被不同地编程，如以下进一步详细描述的。同样地，用于CS-LADAR系统110的控制系统以以下描述的方式操作，所述控制系统由处理系统与用于DMD 102、检测器103和A/D设备105的控制器（无论是内部的还是外部的）组合形成，DMD 102、检测器103和A/D设备105与彼此结合地协同操作。

CS-LADAR系统110试图标识到三维场景111内的各种对象的距离。利用来自激光器112的光照全视场（FOV）的脉动光来光照三维场景111。DMD 102、检测器103、透镜系统104和A/D设备105被包括并且大体如以上所描述的那样操作，除了A/D设备105的输出被更加频繁地采样，如以下进一步详细讨论的。同样地，信号处理器116、存储器117和重构单元118大体如以上所描述的那样连接在A/D设备105与输出119之间，并且形成处理系统。

对于如以上结合图1A讨论的经由压缩采样的单像素成像，每一个A/D输出样本对应于一个DMD空间图案——也就是说，从A/D设备105的输出采样以与DMD速率相同的速率运行，使得每空间图案获取一个输出振幅样本。在图1B中图示的CS-LADAR系统110中，激光器112以在每一个脉冲（每空间图案一个激光脉冲）的持续时间内采用的单个DMD空间图案被脉动，并且从A/D设备105采样与激光脉冲同步。然而，对于每一个激光脉冲和相关联的DMD空间图案，在时间上记录来自A/D设备105的输出的许多样本，这许多样本对应于来自激光器112的反射离开三维场景111中对象的光的不同到达时间并且因而对应于对象空间的距离“切片”。因此，例如，相比于针对经由压缩采样的单像素成像采用的千赫兹（KHz）采样率，从A/D设备输出采样可以以兆赫兹（MHz）速率进行。

图2图示了依照本公开实施例的在实现线性模式CS-LADAR系统110中的单像素成像输出采样。对于每一个DMD空间图案（0至M-1），通过A/D设备输出的K个样本（在t=1、1……k-1处）对激光返回的时间历史（矢量）采样。这收集针对M个空间图案中的每一个的K个时间切片，所述K个时间切片可以在逻辑上被视为单独图像数据集合，如图2的底部处所示。对于k个时间切片中的每一个，然后接着是如以上所描述那样针对所有M个DMD空间图案的重构——也就是说，针对t=0的M个样本用于重构一个图像，针对t=1的M个样本用于重构第二图像等，直至并且包括针对t=k-1的M个样本。结果是对应于个体距离切片的K个图像切片的集合，或者在每一个特定距离返回了的激光能量的图像。然后可以针对感兴趣对象使用本领域中已知的技术来搜索K个图像切片，并且因而K个图像切片可以采用来通过指出在其中找到感兴趣对象的图像切片的距离来标识到感兴趣对象的距离。

本领域技术人员将认识到，来自A/D设备105的输出的K个样本的集合的时序可以从来自激光器112的对应脉冲的开始偏移，以允许用于使光从激光器112到对象111并且回到DMD 102的行进时间。而且，从A/D设备105的输出取得的样本的时序可以基于要测量的预确定的距离限制（“过于接近”的两个距离和“过于远离”的那些）来选择。

图3是针对依照本公开实施例的操作线性模式计算感测LADAR系统的过程的高级流程图。该过程在以上结合图1B描述的用于CS-LADAR系统110的控制系统（和其中的处理系统）内执行。虽然流程图描绘了一系列顺序步骤，但是除非明确陈述，否则不应当从该顺序得出关于以下的推断：特定执行次序、步骤按顺序排列地执行而不是并发或以重叠的方式执行、或者在没有居间或中间步骤发生的情况下排他地执行。而且，本领域技术人员将认识到，并未图示或描述完整的过程。而是，为了简化和清楚，仅描绘和描述了如对本公开而言独特的或对于本公开的理解而言必要的那么多的相应过程。

过程300通过更新应用于DMD 102的反射镜阵列的随机空间图案（步骤301）和使激光器112脉动（步骤302）而开始。然后从检测器103的输出经由A/D设备105收集K个样本（步骤303），每一个样本在跟随激光脉冲的触发之后的不同时刻0到k处。然后做出关于是否已经收集到针对M个空间图案和激光脉冲的样本的确定（步骤304），并且如果没有则过程返回到步骤301。然而，如果有，则重构K个图像（步骤305），每一个图像来自所有M个DMD空间图案和时间k处的对应采样的检测器输出。

然后可以可选地执行附加处理，诸如针对匹配预确定图案的对象对K个图像的搜索。例如，瞄向或瞄准标线可以用于标识视场内的感兴趣的一个或多个对象。可以实行针对如此标识到的（多个）图案的对K个图像的搜索，其中对应于（多个）匹配图像的距离被指出为到（多个）对象的（多个）距离。搜索可以与重构并行地或以重叠的方式实行，其中如果找到（多个）感兴趣对象则重构早早终止（即少于所有K个图像被重构）。

可以对本文所描述的系统、装置和方法做出修改、添加或省略而不脱离于本公开的范围。例如，系统和装置的组件可以集成或分离。而且，本文所公开的系统和装置的操作可以通过更多、更少或其它组件来执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其它的步骤。此外，步骤可以以任何合适的次序执行。如本文档中所使用的，“每一个”是指集合中的每一个成员或集合的子集中的每一个成员。

为了帮助专利局和在本申请上发布的任何专利的任何读者解释随附于此的权利要求，申请人希望指出，它们不意图随附权利要求或权利要求要素的任何一个诉诸35U.S.C. §112（f），除非在特定权利要求中明确使用词语“用于……的构件”或“用于……的步骤”。

Claims (20)

1.一种线性模式计算感测装置，包括：

激光器，其配置成使激光脉动以照射至少一个对象；

数字微反射镜设备，其取向成接收从所述至少一个对象反射的激光，并且包括反射镜的阵列，每一个反射镜能够选择性地控制成取向在第一方向和第二方向中的一个上；

检测器，其定位成使得所述数字微反射镜设备内取向在所述第一方向上的反射镜将入射光反射到所述检测器上，并且所述数字微反射镜设备内取向在所述第二方向上的反射镜不将入射光反射到所述检测器上，所述检测器配置成输出代表入射在所述检测器上的光的量的信号；以及

控制系统，其配置成向所述数字微反射镜设备的反射镜应用M个空间图案，所述M个空间图案中的每一个与来自所述激光器的一对应脉冲同步，并且对于所述M个空间图案中的每一个，在跟随来自所述激光器的对应脉冲之后的K个时间中的每一个处存储从所述检测器的输出采样的信号值，

其中所述控制系统包括处理系统，所述处理系统配置成重构所述至少一个对象的K个图像，每一个图像使用所有M个空间图案和对应于所述K个时间中相应一个所存储的经采样的信号值，

其中所述处理系统配置成针对包括所述至少一个对象的对象中感兴趣对象而搜索所述K个图像。

2.根据权利要求1的装置，还包括配置成选择性地采样所述检测器的所述输出的模数设备。

3.根据权利要求1的装置，其中应用于所述数字微反射镜设备的反射镜的所述M个空间图案是随机图案。

4.根据权利要求1的装置，其中使用对应于所述K个时间内时间k所存储的经采样的信号值重构的K个图像中的一个对应于距所述数字微反射镜设备的预确定距离。

5.根据权利要求1的装置，其中所述K个图像中的每一个对应于距所述数字微反射镜设备的不同距离。

6.根据权利要求5的装置，其中所述处理系统配置成基于所述K个图像中的哪一个图像包含所述感兴趣对象来确定至所述感兴趣对象的距离。

7.根据权利要求1的装置，其中所存储的经采样的信号值中的每一个在所述处理系统的存储器内与以下相关联：在所述检测器的输出被采样的时间k处应用于所述数字微反射镜设备的空间图案的标识。

8.根据权利要求7的装置，其中所存储的经采样的信号值中的每一个在所述处理系统的存储器内与所述输出被采样的时间k的标识相关联。

9.根据权利要求1的装置，其中所述数字微反射镜设备内的反射镜被划分成9×12检测器阵列。

10.根据权利要求1的装置，其中针对所期望的空间分辨率，对像素数目的10%和20%之间的像素进行采样。

11.一种线性模式计算感测方法，包括：

使来自激光器的激光脉动以照射至少一个对象；

在数字微反射镜设备处接收从所述至少一个对象反射的激光，所述数字微反射镜设备包括反射镜的阵列，每一个反射镜能够选择性地控制成取向在第一方向和第二方向中的一个上；

从检测器输出代表入射在所述检测器上的光的量的信号，所述检测器定位成使得所述数字微反射镜设备内取向在所述第一方向上的反射镜将入射光反射到所述检测器上，并且所述数字微反射镜设备内取向在所述第二方向上的反射镜不将入射光反射到所述检测器上；

向所述数字微反射镜设备的反射镜应用M个空间图案，所述M个空间图案中的每一个与来自所述激光器的一对应脉冲同步；

对于所述M个空间图案中的每一个，在跟随来自所述激光器的对应脉冲之后的K个时间中的每一个处存储从所述检测器的输出采样的信号值；

重构所述至少一个对象的K个图像，每一个图像使用所有M个空间图案和对应于所述K个时间中相应一个所存储的经采样的信号值；以及

针对包括所述至少一个对象的对象中感兴趣对象而搜索所述K个图像。

12.根据权利要求11的方法，还包括利用模数设备选择性地采样所述检测器的所述输出。

13.根据权利要求11的方法，其中应用于所述数字微反射镜设备的反射镜的所述M个空间图案是随机图案。

14.根据权利要求11的方法，其中使用对应于所述K个时间内时间k所存储的经采样的信号值重构的K个图像中的一个对应于距所述数字微反射镜设备的预确定距离。

15.根据权利要求11的方法，其中所述K个图像中的每一个对应于距所述数字微反射镜设备的不同距离。

16.根据权利要求15的方法，还包括基于所述K个图像中的哪一个图像包含所述感兴趣对象来确定至所述感兴趣对象的距离。

17.根据权利要求11的方法，其中所存储的经采样的信号值中的每一个在存储器内与以下相关联：在所述检测器的输出被采样的时间k处应用于所述数字微反射镜设备的空间图案的标识。

18.根据权利要求17的方法，其中所存储的经采样的信号值中的每一个在所述存储器内与所述输出被采样的时间k的标识相关联。

19.根据权利要求11的方法，还包括将所述数字微反射镜设备内的反射镜划分成9×12检测器阵列。

20.根据权利要求11的方法，还包括针对所期望的空间分辨率，对像素数目的10%和20%之间的像素进行采样。

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